基于儲(chǔ)能與需求側(cè)響應(yīng)的風(fēng)光能源綜合規(guī)劃消納研究

魏曉霞，丁 建

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司，北京 100031；2.北京海通天成信息技術(shù)有限公司，北京100080）

0 引 言

考慮到風(fēng)電和光伏發(fā)電在聯(lián)入電網(wǎng)存在的間歇與波動(dòng)特性，直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，大規(guī)模的清潔能源并網(wǎng)與消納已成為促進(jìn)可再生能源大規(guī)模、快速發(fā)展的瓶頸[1]。因此，對于如何促進(jìn)風(fēng)電和光伏并網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模消納，引入儲(chǔ)能和需求側(cè)響應(yīng)控制，形成綜合協(xié)調(diào)控制方式減少棄風(fēng)棄光，具有重要意義。

1 綜合系統(tǒng)運(yùn)行周期分析

（1）白天風(fēng)速較大，超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速，光伏板和風(fēng)機(jī)都處于工作狀態(tài)，為理想情況即光伏板和風(fēng)機(jī)都有功率輸出。風(fēng)電、光伏同時(shí)供電運(yùn)行方式分析：理想運(yùn)行模式，蓄電池與市電都在等待模式；當(dāng)光伏、風(fēng)電和蓄電池不足、市電啟動(dòng)；光伏和風(fēng)電不足，蓄電池放電；光伏、風(fēng)電輸出不足并且蓄電池已經(jīng)預(yù)設(shè)深度放電，啟動(dòng)市電；光伏和風(fēng)電不足，并且蓄電池在放電狀態(tài)，市電在等待模式；光伏和風(fēng)電輸出不足，蓄電池放電接近預(yù)設(shè)，市電啟動(dòng)；光伏和風(fēng)電輸出足夠，蓄電池在充電模式，市電在等待模式；光伏、風(fēng)電、蓄電池輸出不足，市電啟動(dòng)。

（2）當(dāng)光伏板沒有輸出而風(fēng)機(jī)有輸出時(shí)，比如在有風(fēng)夜晚，或有風(fēng)陰云的白天，只有風(fēng)機(jī)有功率輸出。風(fēng)電單獨(dú)供電運(yùn)行方式分析：風(fēng)電輸出足夠，蓄電池和市電都在等待模式；風(fēng)電和蓄電池都不足以給負(fù)載，啟動(dòng)市電；光伏和風(fēng)電不足，蓄電池放電；風(fēng)電輸出不足，蓄電池已經(jīng)放電至下限，啟動(dòng)市電；風(fēng)電輸出不足，蓄電池在放電狀態(tài)，市電在等待模式；風(fēng)電輸出不足，蓄電池放電接近預(yù)設(shè)，市電啟動(dòng)；風(fēng)電輸出不足，蓄電池在充電模式；風(fēng)電、蓄電池輸出不足，市電啟動(dòng)[2-3]。

（3）在沒有風(fēng)但是光較好，光伏板運(yùn)行，風(fēng)機(jī)不運(yùn)行的情況。光伏單獨(dú)供電運(yùn)行方式分析：當(dāng)光伏輸出足夠時(shí)，蓄電池和市電處于等待模式；當(dāng)光伏和蓄電池功率輸出不足時(shí)，市電啟動(dòng)；光伏輸出不足，蓄電池放電；光伏輸出不足，蓄電池已經(jīng)預(yù)設(shè)深度放電，啟動(dòng)市電；光伏輸出功率不足，蓄電池在放電狀態(tài)，市電在等待模式；光伏輸出不足，蓄電池放電接近預(yù)設(shè)，市電啟動(dòng)；光伏輸出足夠，蓄電池在充電模式；光伏、蓄電池輸出不足，市電啟動(dòng)。

（4）在沒有風(fēng)的晚上或沒有風(fēng)光的白天，光伏與風(fēng)機(jī)都不運(yùn)作。風(fēng)電、光伏都沒有供電運(yùn)行方式分析：當(dāng)光伏、風(fēng)電都沒有輸出時(shí)，蓄電池放電，市電等待；當(dāng)光伏和蓄電池都沒有功率輸出時(shí)，蓄電池放電至下限，市電啟動(dòng)；當(dāng)光伏和蓄電池都沒有功率輸出時(shí)，蓄電池至下限停止放電，市電啟動(dòng)。

2 規(guī)劃模型與風(fēng)光消納率估算

規(guī)劃模型以最大限度消納風(fēng)電和光伏發(fā)電為首要目標(biāo)：

其中，N為調(diào)度時(shí)間，PL,t為t時(shí)刻系統(tǒng)消納的風(fēng)電和光伏的出力，P+s,t為t時(shí)刻風(fēng)電和光伏對儲(chǔ)能充電容量，e為購電價(jià)格，取600元/MWh，PN,t為t時(shí)刻從電網(wǎng)購入電量，ε為懲罰因子，在光伏與風(fēng)電出力消納最大化時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)調(diào)度而降低運(yùn)行成本。ρ取 10 元 /MWh，ε取 10-3。

通過情景對比，分析加入儲(chǔ)能和需求側(cè)響應(yīng)之后風(fēng)電和光伏消納率以及購電費(fèi)用，驗(yàn)證所建立模型的正確性和有效性。風(fēng)電裝機(jī)容量20 MW，光伏裝機(jī)容量為20 MW。

儲(chǔ)能系統(tǒng)中，Smax=20 MW，Smin=1MW，P+S,t,max=6 MW，P-S,t,max=6 MW。

分布式光伏出力在每天的 8-17 時(shí)出力遠(yuǎn)超過負(fù)荷，到20 時(shí)左右為負(fù)荷高峰時(shí)期，光伏出力降為零。風(fēng)電出力則出現(xiàn)較大的波動(dòng)性，普遍的特點(diǎn)是8-16點(diǎn)時(shí)出力較為平穩(wěn)，晚上出力波動(dòng)性較強(qiáng)。

情景1：儲(chǔ)能和需求側(cè)響應(yīng)都不運(yùn)行；情景2：儲(chǔ)能不運(yùn)行，需求側(cè)響應(yīng)運(yùn)行；情景3：儲(chǔ)能運(yùn)行，需求側(cè)響應(yīng)不運(yùn)行；情景4：儲(chǔ)能和需求側(cè)響應(yīng)都運(yùn)行。儲(chǔ)能和需求側(cè)響應(yīng)的引入可以在一定程度上提高風(fēng)電和光伏的消納率，有效地減少棄風(fēng)和棄光，減少購電量，降低電網(wǎng)運(yùn)行所需要的成本[4-5]。對比運(yùn)行結(jié)果如表1所示。

表1 4種情景下的消納和運(yùn)行結(jié)果

3 針對儲(chǔ)能全周期的運(yùn)行結(jié)果分析

情景1和3，引入儲(chǔ)能后風(fēng)電和光伏消納率從56%和62%，提高到68%和74%，購電量從99 MW降到82 MW，購電費(fèi)用從59470元降到48800元，一個(gè)調(diào)度周期節(jié)省1萬元左右。情景2和4，引入需求側(cè)響應(yīng)，儲(chǔ)能對于風(fēng)電和光伏消納率從57%和64%，提高到69%和79%。風(fēng)電和光伏出力大于負(fù)荷的白天，儲(chǔ)能充電，達(dá)到最大容量20MW時(shí)停止；當(dāng)晚上風(fēng)電和光伏出力逐漸降為零，儲(chǔ)能放電，不足的電量從電網(wǎng)購買，儲(chǔ)能容量降到1MW停止放電。風(fēng)電、光伏出力和蓄電池充放電情況如圖1所示。

4 針對需求側(cè)響應(yīng)的全周期運(yùn)行結(jié)果分析

圖1 風(fēng)電、光伏出力和蓄電池充放電情況

情景1和2，引入需求側(cè)響應(yīng)將風(fēng)電和光伏消納率從59%和62%提高到57%和64%，購電量從99 MW 降到了92 MW，購電費(fèi)從59 470元降到54 880元，一個(gè)調(diào)度周期可節(jié)省4 590元。情景3和4，在配置儲(chǔ)能前提下，引入需求側(cè)響應(yīng)風(fēng)電和光伏消納率從64%和57%提高到69%和79%。當(dāng)晚上風(fēng)電和光伏出力降為最低的時(shí)刻，恰逢一個(gè)周期內(nèi)的負(fù)荷高峰，進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)出；當(dāng)白天風(fēng)電和光伏出力大于負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)入。引入需求側(cè)響應(yīng)之后，通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移，使負(fù)荷曲線在時(shí)序上近似于風(fēng)電和光伏出力，形成系統(tǒng)的“自發(fā)自用”。風(fēng)電、光伏和需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 風(fēng)電、光伏和需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷曲線

5 結(jié) 論

引入儲(chǔ)能可提高可清潔能源消納率，減少市電購電量和費(fèi)用，降低運(yùn)行成本。需求側(cè)響應(yīng)在提高清潔能源消納率的同時(shí)，改變負(fù)荷結(jié)構(gòu)，使負(fù)荷曲線在時(shí)序上近似于清潔能源出力曲線。同時(shí)引入儲(chǔ)能和需求側(cè)響應(yīng)對提高光伏消納率的作用更明顯。儲(chǔ)能的建造和運(yùn)行需要一定成本，負(fù)荷轉(zhuǎn)移也需要對用戶進(jìn)行費(fèi)用補(bǔ)償，合理配置儲(chǔ)能容量及需求側(cè)響應(yīng)可更大限度提高電網(wǎng)消納清潔能源比例，降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)可靠性。